یادداشت

جو [ ویرایش ]

شفق‌های قطبی ناشی از گسیل فوتون‌ها در اتمسفر فوقانی زمین ، بالای 80 کیلومتر (50 مایل)، از اتم‌های نیتروژن یونیزه شده که یک الکترون به دست می‌آورند، و اتم‌های اکسیژن و مولکول‌های مبتنی بر نیتروژن از حالت برانگیخته به حالت پایه بازمی‌گردند . [49] آنها در اثر برخورد ذرات رسوب شده در جو یونیزه یا برانگیخته می شوند. هم الکترون ها و هم پروتون های ورودی ممکن است درگیر باشند. انرژی برانگیختگی در جو در اثر گسیل یک فوتون یا در اثر برخورد با اتم یا مولکول دیگر از بین می رود:

انتشار اکسیژن

سبز یا نارنجی مایل به قرمز، بسته به مقدار انرژی جذب شده.

انتشار نیتروژن

آبی، بنفش یا قرمز؛ آبی و بنفش اگر مولکول یک الکترون را پس از یونیزه شدن دوباره به دست آورد، قرمز اگر از حالت برانگیخته به حالت پایه برگردد.

اکسیژن از نظر بازگشت به حالت اولیه غیرمعمول است: تابش نور سبز 557.7 نانومتری 0.7 ثانیه طول می کشد و برای تابش 630.0 نانومتر قرمز تا دو دقیقه طول می کشد. برخورد با اتم ها یا مولکول های دیگر انرژی برانگیختگی را جذب کرده و از انتشار جلوگیری می کند، به این فرآیند کونچینگ برخوردی می گویند . از آنجایی که بالاترین قسمت‌های جو حاوی درصد بیشتری از اکسیژن و چگالی ذرات کمتری است، چنین برخوردهایی به اندازه‌ای نادر هستند که به اکسیژن زمان برای انتشار نور قرمز اختصاص دهند. برخوردها به دلیل افزایش چگالی در حال پیشروی به سمت اتمسفر مکرر می شوند، به طوری که انتشار قرمز زمان رخ دادن ندارد و در نهایت حتی از انتشار نور سبز نیز جلوگیری می شود.

به همین دلیل است که تفاوت رنگ با ارتفاع وجود دارد. در ارتفاعات، قرمز اکسیژن غالب است، سپس اکسیژن سبز و نیتروژن آبی/بنفش/قرمز، سپس در نهایت آبی نیتروژن/بنفش/قرمز هنگامی که برخورد مانع از انتشار اکسیژن می شود. سبز رایج ترین رنگ است. سپس صورتی، ترکیبی از سبز روشن و قرمز، به دنبال قرمز خالص، سپس زرد (مخلوطی از قرمز و سبز)، و در نهایت، آبی خالص می آید.

پروتون های ته نشین شده عموماً پس از به دست آوردن الکترون از جو، انتشارات نوری را به عنوان اتم های هیدروژن برخوردی ایجاد می کنند. شفق های پروتون معمولاً در عرض های جغرافیایی پایین تر مشاهده می شوند. [50]

یونوسفر [ ویرایش ]

شفق‌های درخشان عموماً با جریان‌های بیرکلند مرتبط هستند (شیلد و همکاران، 1969؛ [51] زمودا و آرمسترانگ، 1973 [52] )، که در یک طرف قطب به داخل یونوسفر جریان می‌یابند و از طرف دیگر به بیرون می‌روند. در این بین، مقداری از جریان مستقیماً از طریق لایه E یونوسفر (125 کیلومتر) متصل می شود. بقیه ("منطقه 2") منحرف می شوند، دوباره از طریق خطوط میدان نزدیکتر به استوا خارج می شوند و از طریق "جریان حلقه جزئی" که توسط پلاسمای به دام افتاده مغناطیسی منتقل می شود، بسته می شوند. یونوسفر یک هادی اهمی استبنابراین برخی معتقدند که چنین جریان هایی به ولتاژ محرکی نیاز دارند که مکانیزم دینام هنوز نامشخص می تواند آن را تامین کند. کاوشگرهای میدان الکتریکی در مدار بالای کلاهک قطبی ولتاژهایی در حد 40000 ولت را نشان می دهند که در طوفان های مغناطیسی شدید تا بیش از 200000 ولت افزایش می یابد. در تفسیری دیگر، جریان ها نتیجه مستقیم شتاب الکترون به جو توسط برهمکنش های موج/ذره هستند.

مقاومت یونوسفر ماهیت پیچیده ای دارد و منجر به جریان ثانویه هال می شود. با پیچ و تاب عجیبی از فیزیک، اختلال مغناطیسی روی زمین به دلیل جریان اصلی تقریباً از بین می رود، بنابراین بیشتر تأثیرات مشاهده شده شفق ها به دلیل جریان ثانویه، جت الکتریکی شفق است. یک شاخص الکتروجت شفق (اندازه گیری شده در نانوتسلا) به طور منظم از داده های زمینی به دست می آید و به عنوان یک معیار کلی برای فعالیت شفق قطبی عمل می کند. کریستین بیرکلند [53] استنباط کرد که جریان‌ها در جهت‌های شرقی-غربی در امتداد کمان شفق قطبی جریان دارند و چنین جریان‌هایی که از سمت روز به سمت (تقریباً) نیمه‌شب جریان دارند، بعداً «جت‌های الکتریکی شفق» نامیده شدند (همچنین به جریان‌های Birkeland مراجعه کنید ).

تعامل باد خورشیدی با زمین [ ویرایش ]

زمین دائماً در باد خورشیدی غوطه ور است ، جریانی از پلاسمای داغ مغناطیسی شده (گاز الکترون های آزاد و یون های مثبت) که از خورشید در همه جهات ساطع می شود، نتیجه دمای دو میلیون درجه ای خارجی ترین لایه خورشید، کرونا . باد خورشیدی با سرعتی معمولاً در حدود 400 کیلومتر بر ثانیه، چگالی حدود 5 یون بر سانتی متر مکعب و شدت میدان مغناطیسی حدود 2 تا 5 nT به زمین می رسد (برای مقایسه، میدان سطح زمین معمولاً 30000-50000 nT است). در طوفان های مغناطیسی ، به ویژه، جریان می تواند چندین برابر سریعتر باشد. میدان مغناطیسی بین سیاره ای (IMF) نیز ممکن است بسیار قوی تر باشد. جوآن فاینمندر دهه 1970 استنباط شد که میانگین بلند مدت سرعت باد خورشیدی با فعالیت ژئومغناطیسی همبستگی دارد. [54] کار او از داده های جمع آوری شده توسط فضاپیمای Explorer 33 حاصل شد.

باد خورشیدی و مگنتوسفر از پلاسما (گاز یونیزه) تشکیل شده است که رسانای الکتریسیته است. به خوبی شناخته شده است (از کار مایکل فارادی در حدود سال 1830) که وقتی یک رسانای الکتریکی در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد در حالی که حرکت نسبی در جهتی رخ می دهد که رسانا به جای اینکه در امتداد خطوط بریده شود (یا بریده شود ). از میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی در هادی القا می شود. شدت جریان به الف) سرعت حرکت نسبی، ب) قدرت میدان مغناطیسی، ج) تعداد رساناهایی که در کنار هم قرار گرفته اند و د) فاصله بین هادی و میدان مغناطیسی و جهت بستگی دارد.جریان به جهت حرکت نسبی بستگی دارد. دیناموها از این فرآیند اساسی (" اثر دینام ") استفاده می کنند، همه هادی ها، جامد یا غیر آنها، از جمله پلاسما و سایر سیالات، تحت تأثیر قرار می گیرند.

صندوق بین‌المللی پول از خورشید سرچشمه می‌گیرد و به لکه‌های خورشیدی متصل است و خطوط میدانی آن (خطوط نیرو) توسط باد خورشیدی به بیرون کشیده می‌شوند. این به تنهایی می تواند آنها را در جهت خورشید-زمین ردیف کند، اما چرخش خورشید آنها را در زمین حدود 45 درجه زاویه می دهد و یک مارپیچ در صفحه دایره البروج تشکیل می دهد که به مارپیچ پارکر معروف است . بنابراین، خطوط میدانی که از زمین می گذرند، معمولاً در هر زمان به خطوط نزدیک به لبه غربی ("اندام") خورشید مرئی متصل می شوند. [55]

باد خورشیدی و مگنتوسفر، که دو سیال رسانای الکتریکی در حرکت نسبی هستند، اصولاً باید قادر به تولید جریان الکتریکی با عمل دینام و انتقال انرژی از جریان باد خورشیدی باشند. با این حال، این فرآیند به دلیل این واقعیت که پلاسماها به آسانی در امتداد خطوط میدان مغناطیسی هدایت می‌شوند، اما با سهولت کمتری عمود بر آنها هستند، مانع می‌شود. انرژی با اتصال مغناطیسی موقت بین خطوط میدان باد خورشیدی و خطوط مگنتوسفر به طور مؤثرتری منتقل می شود. جای تعجب نیست که این فرآیند به عنوان اتصال مجدد مغناطیسی شناخته می شود . همانطور که قبلا ذکر شد، زمانی که میدان بین سیاره ای به سمت جنوب هدایت می شود، در جهتی مشابه با میدان ژئومغناطیسی در نواحی داخلی هر دو قطب مغناطیسی شمال و شمال، این اتفاق می افتد.قطب مغناطیسی جنوب

شماتیک مگنتوسفر زمین

شفق‌های قطبی در فاز شدید چرخه خورشیدی، زمانی که پرتاب‌های جرم تاجی شدت باد خورشیدی را افزایش می‌دهند، فراوان‌تر و درخشان‌تر هستند. [56]

مغناطیس کره [ ویرایش ]

مگنتوسفر زمین بر اثر برخورد باد خورشیدی بر میدان مغناطیسی زمین شکل گرفته است. این مانعی برای جریان ایجاد می‌کند و آن را در فاصله متوسط ​​حدود 70000 کیلومتر (11 شعاع زمین یا Re) منحرف می‌کند، [57] که یک شوک کمانی از 12000 کیلومتر تا 15000 کیلومتر (1.9 تا 2.4 Re) بیشتر در بالادست ایجاد می‌کند. عرض مغناطیس کره در کنار زمین معمولاً 190000 کیلومتر (30 Re) است، و در سمت شب یک "دم مغناطیسی" طولانی از خطوط میدان کشیده تا فواصل بسیار زیاد گسترش می یابد (> 200 Re).

با عبور باد خورشیدی از زمین، مگنتوسفر با عرض جغرافیایی بالا با پلاسما پر می شود. جریان پلاسما به مگنتوسفر با تلاطم، چگالی و سرعت بیشتر در باد خورشیدی افزایش می یابد. این جریان توسط بخش جنوبی صندوق بین المللی پول مورد علاقه است، که سپس می تواند مستقیماً به خطوط میدان ژئومغناطیسی با عرض جغرافیایی بالا متصل شود. [58] الگوی جریان پلاسمای مگنتوسفر عمدتاً از دم مغناطیسی به سمت زمین، اطراف زمین و بازگشت به باد خورشیدی از طریق مگنتوپوز است.در روز علاوه بر حرکت عمود بر میدان مغناطیسی زمین، مقداری پلاسمای مغناطیسی کره زمین در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین به سمت پایین حرکت می‌کند، انرژی اضافی به دست می‌آورد و آن را در اتمسفر در مناطق شفق قطبی از دست می‌دهد. قله‌های مگنتوسفر، خطوط میدان ژئومغناطیسی را که از طریق زمین بسته می‌شوند از خطوطی که از راه دور بسته می‌شوند، جدا می‌کند، به مقدار کمی باد خورشیدی اجازه می‌دهد تا مستقیماً به بالای جو برسد و درخشش شفقی تولید کند.

در 26 فوریه 2008، کاوشگرهای THEMIS توانستند برای اولین بار، رویداد محرک شروع زیر طوفان های مغناطیسی را تعیین کنند . [59] دو کاوشگر از پنج کاوشگر، که تقریباً در یک سوم فاصله ماه قرار داشتند، وقایع را اندازه‌گیری کردند که نشان دهنده یک رویداد اتصال مجدد مغناطیسی 96 ثانیه قبل از تشدید شفق است. [60]

طوفان های ژئومغناطیسی که شفق های قطبی را شعله ور می کنند ممکن است در ماه های نزدیک به اعتدال بیشتر رخ دهند.. این به خوبی درک نشده است، اما طوفان های ژئومغناطیسی ممکن است با فصول زمین متفاوت باشند. دو عاملی که باید در نظر گرفت، انحراف محور خورشید و زمین به صفحه دایره البروج است. همانطور که زمین در طول یک سال به دور زمین می چرخد، یک میدان مغناطیسی بین سیاره ای (IMF) از عرض های جغرافیایی مختلف خورشید را تجربه می کند که 8 درجه کج می شود. به طور مشابه، انحراف 23 درجه ای محور زمین که قطب ژئومغناطیسی با تغییرات روزانه به دور آن می چرخد، میانگین زاویه روزانه ای را که میدان ژئومغناطیسی در طول یک سال به صندوق بین المللی پول فرود آمده نشان می دهد، تغییر می دهد. ترکیب این عوامل می تواند منجر به تغییرات چرخه ای جزئی در روش مفصلی شود که صندوق بین المللی پول به مگنتوسفر پیوند می دهد. به نوبه خود، این بر میانگین احتمال باز کردن یک در تأثیر می گذارد [ محاوره ]که از طریق آن انرژی بادهای خورشیدی می تواند به مگنتوسفر داخلی زمین برسد و در نتیجه شفق های قطبی را تقویت کند. شواهد اخیر در سال 2021 نشان داده است که طوفان های فرعی جداگانه ممکن است در واقع جوامع شبکه ای مرتبط باشند. [61]